JP6688287B2 - プレアロイ鉄基粉末、プレアロイ鉄基粉末を含有する鉄基粉末混合物、及び鉄基粉末混合物からプレス成形および焼結した部品を製造する方法 - Google Patents
プレアロイ鉄基粉末、プレアロイ鉄基粉末を含有する鉄基粉末混合物、及び鉄基粉末混合物からプレス成形および焼結した部品を製造する方法 Download PDFInfo
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Description
0.7〜0.9重量%のクロム(Cr)と、
0.2〜0.4重量%のモリブデン(Mo)と、
0.01〜0.15重量%のマンガン(Mn)と、
最大0.20重量%の酸素(O)と、
最大0.05重量%の炭素(C)と、
0.05重量%未満の窒素(N)と、
最大0.3重量%の他の不可避不純物と、
残部である鉄(Fe)と
からなるプレアロイ鉄基粉末が提供される。
第1の観点又は具体例によるプレアロイ鉄基粉末と、
鉄基粉末混合物の0.2〜0.7重量%のグラファイトと、
任意で、鉄基粉末混合物の最大1重量%までの潤滑剤と、
任意で、鉄基粉末混合物の最大1重量%までの機械加工性向上剤と、
任意で硬質相材料と
を含有する鉄基粉末が提供される。
a)請求項8に記載された鉄基粉末混合物を準備する工程と、
b)鉄基粉末混合物を圧縮成形用金型に移す工程と、
c)少なくとも600MPaの圧縮成形圧力で鉄基粉末混合物をグリーン体に圧縮成形する工程と、
d)グリーン体を金型から取り出す工程と、
e)グリーン体に対して焼結を行う工程と、
f)任意で更に、焼結した部品を緻密化する工程と、
g)焼結した部品に、最大40mbar(4kPa)、好ましくは最大20mbar(2kPa)の圧力の炭素含有雰囲気中で真空浸炭(LPC)を行う工程と、
h)浸炭した部品に、10bar(1MPa)〜30bar(3MPa)の圧力で、約850〜1000℃の温度から少なくとも約300℃未満の温度まで、少なくとも5℃の冷却速度で、高圧ガス焼き入れ、すなわちHPGQを行う工程と、
i)任意で、焼き入れをした部品に対して、空気中で150〜300℃の温度で焼き戻しを行う工程と
を含む、焼結部品を製造する方法が提供される。
0.7〜0.9重量%のクロム(Cr)と、
0.2〜0.4重量%のモリブデン(Mo)と、
0.01〜0.15重量%のマンガン(Mn)と、
0.2〜1.0重量%の炭素(C)と、
最大0.15重量%の酸素(O)と、
最大1.0重量%、好ましくは0.5重量%未満、最も好ましくは0.3重量%未満の、O以外の不可避不純物と、
残部である鉄(Fe)と
からなる焼結部品が提供される。
鋼粉は、所定量の合金元素を含有する溶鋼を、保護雰囲気又は非保護雰囲気中で水アトマイズすることにより生産できる。アトマイズ粉は、参照により援用される米国特許第6,027,544号に記載されているような還元焼鈍処理を更に行なうことができる。鋼粉の粒子サイズは、プレス成形、焼結又は粉末鍛造処理と適合できる限り、任意のサイズにできる。好ましい粒子サイズの分布は、SS−EN 24−497に準拠した測定において、150μmを超える粉末が20重量%以下、45μm未満の粉末が最大30重量%となるものである。他の好ましい粒子サイズの分布としては、75μmを超える粉末が10重量%以下、45μm未満の粉末が最大30重量%である。
クロムCrは、固溶強化によって基地を強化する作用を有する。更に、Crは、焼結体の焼き入れ性及び耐摩耗性を向上させる。しかし、鉄基粉末の0.9重量%を超える含有量のCrは、鋼粉の圧縮成形性を低下させる。0.7重量%未満のCr含有量は、焼き入れ性や耐摩耗性などの所望の特性に対する効果が不十分である。Crが0.7重量%未満では、僅かな圧縮成形性の増加しか得られない。
圧縮成形の前に、鉄基鋼粉はグラファイト及び潤滑剤と混合される。グラファイトは、組成物の0.2重量%〜0.7重量%が添加され、潤滑剤は、組成物の0.05重量%〜1.0重量%が添加される。
特定の具体例によれば、粉末形態の銅及び/又はニッケルを、それぞれ最大2重量%まで添加してもよい。
焼結した部品の強度及び硬度を向上させるために、炭素が基地に導入される。炭素はグラファイトとして、組成物の0.2重量%〜0.7重量%が添加される。0.2重量%未満では、あまりに強度が低く、また0.7%を超えると硬度があまりにも高くなり伸びが不十分となり、完成した部品の機械加工性を悪化させる。300〜550HV0.1の内部硬さを得るのに必要な、鉄基粉末混合物の0.2〜0.7重量%の範囲内の厳密なグラファイト量は、部品のサイズ及び冷却速度に依存し、当業者によって決定することができる。
銅Cu及びニッケルNiは、粉末冶金技術において一般に使用される合金元素である。Cu及びNiは、固溶強化を通じて強度及び硬度を向上させる。また、Cu、焼結温度に到達する前に溶融し、固体状態での焼結よりも遥かに速い、いわゆる液相焼結を行うことにより、焼結中の焼結ネックの形成を容易にする。特定の具体例によれば、Cu及び/又はNiは、それぞれ最大2重量%、鉄基粉末混合物に添加できる。
潤滑剤は、圧縮成形した部品の圧縮成形及び取り出しを容易にするために、組成物に添加される。組成物の0.05重量%未満の潤滑剤添加は、僅かな効果しかなく、鉄基粉末混合物の1重量%を超える添加をすると、圧縮成形体の密度が低くなる。
潤滑剤は、ステアリン酸金属塩、蝋、脂肪酸及びそれらの誘導体、オリゴマー、ポリマー、及び潤滑効果を有する他の有機物の群から選ぶことができる。
硬質相材料や、MnS、MoS2、CaF2、異なる種類の物質等などの機械加工性向上剤などの他の物質を添加してもよい。
緻密化
鉄基粉末混合物は金型に移され、例えば少なくとも600MPaの単軸圧縮成形圧力によって緻密化が行われ、少なくとも7.10g/cm3、好ましくは少なくとも7.15g/cm3、そして最も好ましくは少なくとも7.20g/cm3のグリーン密度にされる。
圧縮成形して得られたグリーン体に対して、更に大気圧下、又は例えば最大20mbar(2kPa)の減圧下(いわゆる真空焼結)で、90体積%の窒素及び10体積%の水素などの還元雰囲気で、1000〜1350℃、好ましくは1200〜1350℃の温度で15分〜120分焼結を行う。真空焼結の好ましい具体例として、部品中の酸化物を効果的に還元させることを確実にするために、水素、又は水素及び窒素の混合物を、低圧還元雰囲気として使用する。
焼結工程の後、焼結部品に対して、HIPまたは例えば表面圧延による表面緻密化などの更なる最適な緻密化を行うことができる。
焼結の後、部品は、CH4、C2H2及びC3H8又はそれらの混合物(すなわち真空浸炭、LPC)などの炭素含有物質を含む低圧雰囲気中、すなわち最大40mbar(4kPa)好ましくは最大20mbar(2kPa)の低圧雰囲気中で表面硬化処理を行う。温度が焼結温度から、オーステナイト化温度よりも最大約100℃高い温度、すなわち850℃〜1000℃に下がると、炭素含有物質が炉に導入される。或いは、もし焼結後に部品が850℃〜1000℃よりも低い温度に冷却された場合には、部品をオーステナイト化温度よりも最大約100℃高い温度に熱してから、炭素含有物質をLPC炉に導入する。浸炭温度で保持する合計時間は、約15〜120分である。オーステナイト化温度よりも高い低温制御温度で浸炭を行うことにより、部品の粒成長および歪みを最小化することができる。
浸炭工程の後、部品は、高圧ガス焼き入れ(HPGQ)により、不活性ガス雰囲気中で高圧力下にて焼き入れが施される。焼き入れガスの例としては、窒素N2やヘリウムHeが挙げられる。焼き入れは、10(1MPa)〜30bar(3MPa)の圧力で行われ、約850〜1000℃の温度から少なくとも約300℃未満の温度まで、少なくとも5℃/sの冷却速度で冷却する。
応力緩和のために、部品に150〜300℃の温度で15〜120分間、空気中で焼き戻しを行うことができる。
本発明に係るプレアロイ鉄基粉末及び具体的な製造方法を組み合わせると、例えば、歯が硬いマルテンサイト表層を有し、主にベイナイト及び/又はパーライトからなる内部が柔らかいギアの製造が可能となる。マルテンサイトの表層は、最小で700HV0.1の微小硬さを有し、内部の微小硬さは、好ましくは300〜550HV0.1であるはずである。このようなギアは表層に、好都合な応力分布、すなわち好都合な圧縮応力の分布を有する。更に、完成したPMギアの部品は、硬さが550HV0.1である約0.3〜1.5mmの密接に制御された硬化層深さを有する。
本発明に係るプレアロイ鋼粉A1を、水アトマイズを行い、続いて還元焼鈍処理を行うことにより作製した。アトマイズは、保護N2雰囲気中で、小規模(15kgの溶解サイズ)の水アトマイズユニット内で行った。焼鈍は、H2雰囲気中、1000〜1100℃の範囲の温度で、実験室規模のベルト炉で行った。粉末の粉砕及びふるい分け(−212 m)は、焼鈍の後に行った。スウェーデンのヘガネスAB社から入手可能な商用グレードでありB=Astaloy(登録商標)85Mo及びC=Astaloy(登録商標)CrAの基準材料として使用する2つの他のプレアロイ鋼粉の組成とともに、粉末の化学組成を表1に示す。3つの粉末は全て、PMにとって標準的な粒子サイズ分布を有し、−212μmのメッシュふるいサイズでふるいにかけられる。
本発明に係るプレアロイ鋼粉A2を、水アトマイズを行い、続いて還元焼鈍処理を行うことにより作製した。アトマイズは、保護N2雰囲気中で、小規模(15kgの溶解サイズ)の水アトマイズユニット内で行った。焼鈍は、H2雰囲気中、1000〜1100℃の範囲の温度で、実験室規模のベルト炉で行った。粉末の粉砕及びふるい分け(−212 m)は、焼鈍の後に行った。粉末の化学組成を、表2に示す。粉末はPMにとって標準的な粒子サイズ分布を有し、−212μmのメッシュふるいサイズでふるいにかけられる。
異なるCrの含有量(0.5〜1.0%)と一定のMo含有量(0.3%)を有するプレアロイ鋼粉を、水アトマイズを行い、続いて還元焼鈍処理を行うことにより作製した。アトマイズは、保護N2雰囲気中で、小規模(15kgの溶解サイズ)の水アトマイズユニット内で行った。
Claims (13)
- プレアロイ鉄基粉末であって、
0.70〜0.90質量%のクロム(Cr)と、
0.20〜0.40質量%のモリブデン(Mo)と、
0.01〜0.15質量%のマンガン(Mn)と、
最大0.20質量%の酸素(O)と、
最大0.05質量%の炭素(C)と、
0.05質量%未満の窒素(N)と、
最大0.30質量%の他の不可避不純物と、
残部である鉄(Fe)と
からなり、
ASTM B796−02に従って測定した、100μmよりも長い最大長さを有する介在物の数が、最大1.0/cm 2 である、プレアロイ鉄基粉末。 - マンガン含有量が0.09〜0.15質量%である、請求項1に記載されたプレアロイ鉄基粉末。
- マンガン含有量が0.01〜0.09質量%である、請求項1に記載されたプレアロイ鉄基粉末。
- 酸素量が最大0.15質量%である、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載されたプレアロイ鉄基粉末。
- 酸素、炭素及び窒素を除いた不可避不純物の含有量が最大0.30質量%未満である、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載されたプレアロイ鉄基粉末。
- ASTM B796−02に従って測定した、150μmよりも長い最大長さを有する介在物の数が、最大0.0/cm2である、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載されたプレアロイ鉄基粉末。
- 鉄基粉末混合物であって、
請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載されたプレアロイ鉄基粉末と、
前記鉄基粉末混合物の0.2〜0.7質量%のグラファイトと、
任意で、前記鉄基粉末混合物の最大1質量%までの潤滑剤と、
任意で、前記鉄基粉末混合物の最大1質量%までの機械加工性向上剤と、
任意で硬質相材料と
を含有する鉄基粉末混合物。 - 焼結及び浸炭した部品を製造する方法であって、
a)請求項7に記載された鉄基粉末混合物を準備する工程と、
b)前記鉄基粉末混合物を圧縮成形用金型に移す工程と、
c)少なくとも600MPaの圧縮成形圧力で前記鉄基粉末混合物をグリーン体に圧縮成形する工程と、
d)前記グリーン体を前記金型から取り出す工程と、
e)前記グリーン体に対して焼結を行う工程と、
f)任意で更に、前記焼結した部品を緻密化する工程と、
g)前記焼結した部品に、最大40mbar(4kPa)の圧力の炭素含有雰囲気中で真空浸炭(LPC)を行う工程と、
h)前記浸炭した部品に、10bar(1MPa)〜30bar(3MPa)の圧力で、850〜1000℃の温度から少なくとも300℃未満の温度まで、少なくとも5℃の冷却速度で、高圧ガス焼き入れ、すなわちHPGQを行う工程と、
i)任意で、前記焼き入れをした部品に対して、空気中で150〜300℃の温度で焼き戻しを行う工程と
を含む、方法。 - 取り出し後の前記グリーン体が、少なくとも7.10g/cm 3 のグリーン密度を有する、請求項8に記載された方法。
- 前記焼結工程が、還元雰囲、又は20mbar(2kPa)未満の圧力の真空中で、1000℃〜1350℃の温度で焼結を行なう工程を含む、請求項8又は請求項9に記載された方法。
- 前記真空浸炭工程が、C2H2、CH4、C3H8のうちの少なくとも一つを含有する雰囲気中で浸炭を行う工程を含む、請求項8から請求項10までのいずれか1項に記載された方法。
- 前記真空浸炭工程が、アンモニアを含有する雰囲気中で炭窒化させる工程を更に含む、請求項8から請求項11までのいずれか1項に記載された方法。
- 前記部品がギアであり、ギアの歯の表面微小硬さが最小で700HV0.1であり、前記ギアの歯の内部硬さが300HV0.1〜550HV0.1である請求項8から請求項12までのいずれか1項に記載された方法。。
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